Предлогаю статью А. Ф. Андреева посвещёную той-же теме.

В этом году исполнилось 66 лет, как выдающийся русский ученый Петр Леонидович Капица открыл сверхтекучесть гелия - явление, которое на первый взгляд совершенно не вписывается в рамки повседневных понятий о жидкости. Исследования сверхтекучести значительно расширили представления о физике конденсированного состояния и способствовали пониманию ряда других явлений, таких как, например, сверхпроводимость металлов. Признанием важности работ П.Л.Капицы является Нобелевская премия по физике, присужденная ему (1978) за "фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур".

СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ, уникальное состояние жидкости, возникающее в гелии при очень низких температурах. Сверхтекучая жидкость отличается от обычных жидкостей тем, что ее вязкость равна нулю. Она может протекать через тончайшие капилляры без всякого сопротивления. Необычные свойства сверхтекучей жидкости объясняются тем, что поведение жидкости в целом определяется законами квантовой механики

Я представляю доклад Петра Леонидовича Капицы (с несущественными сокращениями), где он в популярной форме изложил основные идеи и результаты своих исследований сверхтекучего гелия. Доклад был прочитан на конференции "Проблемы современной науки" в Московском университете 21 декабря 1944 г. и публикуется впервые. В нем речь идет о наиболее распространенном изотопе гелия - 4He, - исследованиями которого и занимался Капица. Сверхтекучесть другого стабильного изотопа гелия - 3He - была обнаружена значительно позже (1972), и это открытие было также отмечено как значительный успех физической науки Нобелевской премией (см.: Природа. 1997. № 1. С.94-96).

Тема моего сегодняшнего доклада - свойства жидкого гелия. Работы в области жидкого гелия представляют интерес в основном потому, что проводятся вблизи абсолютного нуля, т.е. при очень низких температурах. В то время как область высоких температур, связанная обычно с горением, нам хорошо известна из опыта повседневной жизни, с областью низких температур нам приходится сталкиваться гораздо меньше, и даже лабораторий, работающих с глубоким холодом, мало. Поэтому целый ряд представлений о холоде, сложившихся из повседневного опыта и не измененных сведениями, полученными в средней школе, надо несколько пересмотреть, чтобы понять значение изучения явлений при низких температурах в жидком гелии. Все вы знаете, что существует так называемая абсолютная шкала температур, по которой температура отсчитывается только вверх от абсолютного нуля. Комнатная температура по этой шкале составит около 300 К. В этой комнате температура несколько ниже комнатной, но, к счастью, все же недалека от нее.

Дальше идут температуры более высокие, и они достигают самой высокой температуры, какую можно получить в лабораторных условиях, - это 27000 К. Создается такое представление, что от комнатной температуры до абсолютного нуля только 300 К, а там - 27000 К, так что область низких температур лежит гораздо ближе к нам, чем область высоких, например температур самых горячих звезд. Однако это представление неправильно. Как раз диапазон температур от комнатной до температуры абсолютного нуля гораздо больше, чем до более высоких температур. Наши житейские понятия о температуре не соответствуют тем понятиям, которые созданы в физике.

На самом деле диапазон явлений природы, которые можно наблюдать от комнатной температуры до предельно достижимых высоких температур, гораздо менее разнообразен по своему характеру и по интерпретации, чем тех явлений природы, которые мы наблюдаем при более низких температурах.

Гелий и вводит нас в область низких температур. Сам гелий - газ, ожижающийся при 4 К. Посредством разных способов: кипения в вакууме, магнитными методами - можно достигнуть температуры в 1/100 градуса от абсолютного нуля. Вся эта область температур и является той, к которой и относятся свойства жидкого гелия, нами изучаемые и являющиеся темой моего сегодняшнего доклада.

Но позвольте прежде всего ввести вас в круг идей, которые я так общо назвал, говоря, что диапазон температур от комнатной до абсолютного нуля больше, чем диапазон температур от той же комнатной до предельно высоких. Для этого нужно напомнить, как большинство из вас представляет себе температурную шкалу.

Известно, что атомам свойственно тепловое движение - они колеблются, движутся, и энергия этого теплового движения правильно считается пропорциональной той температуре, при которой эти атомы находятся. Если мы начинаем охлаждать тело, то температурное движение атомов уменьшается, а их кинетическая энергия понижается. Если это был газ, то при этом начинают проявляться силы взаимодействия и состояние газа меняется - он переходит в жидкость. В жидкости атомы уже не свободно бегают - они колеблются вокруг состояния равновесия, но в то же время эти колебания и рассматриваются как температура. Чтобы конкретизировать эти представления, я хочу показать вам опыт, который очень люблю.

Вы видите на экране колеблющуюся рамку с дробинками, выполняющими в этой движущейся модели роль атомов. Процессы охлаждения и конденсации символизируются попаданием шариков-атомов в ямки, занимающие на нашей схеме самое низкое положение. Приводя рамку в движение и сообщая это движение шарикам-атомам, мы получаем наглядную картину того атомарного движения, к которому мы все привыкли. С абсолютным нулем мы связываем полный покой атомов. Как нас учат в школе, для того, чтобы охладить вещество, надо остановить атомы в их движении. Правильность этого положения можно иллюстрировать схемой холодильной машины, которая воплощена в модели, служащей для нашей следующей демонстрации.

Вы видите укрепленную на штативе горизонтальную плоскость, на которую падает хорошо отскакивающий от нее шарик. Газ так же бомбардирует стенки ограничивающего его сосуда, как шарик ударяется о плоскость, закрепленную неподвижно. Его кинетическая энергия в основном сохраняется. Но если мы позволим этой плоскости уступать давлению шарика и отходить - шарик будет отскакивать на меньшую высоту. Мы поглощаем таким образом его кинетическую энергию. Это соответствует понижению температуры.

Из этого опыта, как он ни элементарен, можно извлечь одно из самых основных понятий температуры, к которым я хочу вас подвести.

По аналогии с шариком, который, ударившись о движущуюся плоскость, теряет свою энергию, мы могли бы взять атомы, направить их на движущуюся плоскость, уменьшить их энергию, затем направить на другую плоскость, еще уменьшить энергию, наконец, привести в состояние полного покоя и сказать, что мы получили абсолютный нуль - температуру абсолютного покоя. И обычные наши представления заключались в том, что полного покоя температурного движения атомов не существует. На самом же деле мерилом температуры является не само движение, а хаотичность этого движения. Хаотичность состояния тела определяет его температурное состояние, и эта идея (которая впервые была разработана Больцманом), что определенное температурное состояние тела вовсе не определяется энергией движения, но хаотичностью этого движения, и является тем новым понятием в описании температурных явлений, которым мы должны пользоваться. Поэтому, если мы возьмем, например, тело, движущееся с некоторой скоростью, эта скорость может быть очень большой, но температура этого тела может быть очень мала; если это тело ударится о преграду, то его кинетическая энергия переходит в движение атомов, т.е. упорядоченное движение прямо переходит в беспорядочное движение, и мы о беспорядочно хаотическом движении говорим как о температуре. Физику гораздо более важно знать, насколько хаотично движение, насколько беспорядочно состояние тела, чем его температуру. А беспорядочность состояния тела вовсе не должна определяться только движением атомов, она может определяться еще рядом других факторов. Например, представьте себе, что каждый атом есть магнитная стрелка, как оно в действительности и есть. Предположим, что эти магнитные диполи имеют самое разнообразное направление. Пускай при этом они находятся в температурном покое, т.е. не колеблются. С нашей, физической точки зрения это не будет состоянием полного порядка. Такое тело не будет находиться при абсолютном нуле, потому что абсолютным нулем с нашей точки зрения является не отсутствие движения, а состояние полного порядка. Таким образом, современное понятие абсолютного нуля не есть понятие абсолютного покоя, наоборот, при абсолютном нуле может быть движение - и оно есть, но это есть состояние полного порядка. А температурные свойства определяют степень беспорядочности состояния тела.

Если же у нас есть одно состояние, более упорядоченное, чем другое, то упорядоченное состояние имеет другую энергию, чем беспорядочное. Для того чтобы перевести тело из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное, надо сообщить телу некоторую энергию. Но эта энергия вовсе не должна быть с нашей точки зрения тепловой энергией колебания атомов. Она может быть гораздо шире - это может быть беспорядок гораздо больший, чем движение отдельных атомов. Этот беспорядок может заключаться, например, в том, что в одной части кристаллической решетки атомы находятся в более плотном состоянии, а в другой - в менее плотном, т.е. по атомной постройке проходит звуковая волна. Каждый атом может мало отличаться от ближайшего соседа и не двигаться по отношению к ближайшим атомам, но если могут существовать такие флуктуации плотности даже однородного тела, то это также должно рассматриваться как состояние неполного порядка, т.е. тело не находится при абсолютном нуле.

Таким образом, изучение тел при низких температурах представляет тот интерес, что, постепенно охлаждая тело, мы можем его приводить в состояние большего и большего порядка. Хаотическое движение атомов в газе мы можем привести в более упорядоченное состояние, свойственное, например, кристаллической решетке, когда каждый атом находится в определенном месте и только колеблется. Затем, когда и эти колебания прекращаются, весь кристалл в целом может колебаться, могут происходить флуктуации его плотности. Потом и они пропадают. Остаются магнитные моменты отдельных атомов, которые не в одну сторону ориентированы. Продолжая понижать температуру, мы изменяем и магнитные свойства вещества. Затем вступили бы в дело магнитные моменты ядер атомов - это должно произойти при температурах совсем низких. И если мы просмотрим весь диапазон явлений при низких температурах - магнитных, ядерных и прочих, - мы увидим, что здесь действительно гораздо большее разнообразие явлений, чем при высоких температурах, где мы можем наблюдать только следствия диссоциации и ионизации атомов. Все разнообразие явлений, которые имеют место при низких температурах, дает значительно более широкое понятие о природе вещества, чем то, что можно наблюдать при высоких температурах. В этом и есть основной интерес изучения поведения вещества при низких температурах.

Если мы хотим познать свойства вещества, а это и есть основная задача физика, то надо изучать это вещество в состоянии порядка, т.е. при температурах, гораздо ближе подходящих к абсолютному нулю. Эту же мысль можно показать несколько иначе. Если мы, например, понизили температуру в два раза, мы можем сказать, что мы и состояние вещества, грубо говоря, упорядочили в два раза. Понизим температуру еще в два раза - еще вдвое увеличился порядок. Но, следуя таким путем, мы никогда не достигнем абсолютного нуля, мы можем только к нему приблизиться. От 4 К мы перейдем к 2 К, от 2 К к 1 К, затем к 1/2 К и т.д. Но эта шкала температур будет такой же бесконечной, как ряд простых чисел. И такой отрезок этой шкалы, как от комнатной температуры до 0.03 К, будет эквивалентен уменьшению температуры в 10 000 раз. Между тем разница между комнатной температурой и наиболее возможной высокой не больше чем в 100 раз. Переход к жидкому гелию эквивалентен переходу к температуре Солнца. А так как нам практически удается достигать сотых долей абсолютного градуса, то это значит, что та шкала температур, которой мы владеем в наших криогенных лабораториях, значительно больше и, естественно, дает большее разнообразие явлений. Отсюда и тот интерес к изучению жидкого гелия и его свойств, к которым со все большим вниманием относится современная наука.

Жидкий гелий был получен сравнительно недавно - лет 35 назад. Заслуга его первоначального изучения принадлежит одной лаборатории в Голландии, руководитель которой Камерлинг-Оннес его впервые ожижил. Основная трудность исследования жидкого гелия была в том, что вообще считалось, что гелия в природе очень мало. В воздухе, например, он присутствует в ничтожном проценте, и его трудно было добывать. Американцы первые нашли, что, оказывается, природного гелия довольно много в подземных газах, где количество его доходит до 1 - 1.5%. Это открыло источник получения гелия в больших количествах, и сразу работа с ним в значительной мере упростилась. Теперь уже существует ряд лабораторий, которые делают опыты с жидким гелием, исследуют свойства вещества при той низкой температуре, которую он создает.

В самой начальной стадии изучения гелия был обнаружен целый ряд явлений, которые по своему характеру нельзя было даже предвидеть. Наиболее красивое из всех явлений такого рода - сверхпроводимость. Камерлинг-Оннес открыл ее совершенно случайно: он мерил сопротивление свинцовой проволоки и вдруг заметил, что в ней пропадает сопротивление. С понижением температуры сопротивление электрическому току вообще-то понижается, но, чтобы оно уменьшилось до нуля, - это было весьма удивительно. Еще удивительнее было то, что ток, пущенный по замкнутому проводнику, при температуре сверхпроводимости не пропадал. Были поставлены исключительно тщательные эксперименты: опыт продолжался в продолжение недели, совершенство экспериментальной методики доходило до того, что можно было обнаружить ничтожнейшие изменения тока, - и никаких изменений обнаружено не было... Поэтому с полной достоверностью можно сказать, что при температуре жидкого гелия в свинце и в ряде других металлов появляется состояние, при котором ток может течь без всякого сопротивления.

При дальнейшем изучении поведения вещества при температуре жидкого гелия был обнаружен ряд других фактов, которые были менее неожиданными, например обращение теплоемкости вещества почти в нуль. Был обнаружен целый ряд магнитных свойств вещества, но сравнительно недавно было обращено внимание на поразительные свойства самого гелия. Гелием пользовались как охлаждающей средой, но свойства самого гелия представляют, как оказалось, не менее интересную область для исследований, чем свойства тех веществ, которые находятся в гелии при этих низких температурах.

Дело в том, что если "откачивать" испаряющийся гелий, т.е. понижать давление над жидкостью, то постепенно температура его кипения понижается. Таким образом, удается достигнуть температуры примерно 1 К. При этом происходит любопытное изменение состояния самого гелия. При температуре ожижения - 4 К - он представляет собой жидкость малого удельного веса, раз в пять легче воды, очень прозрачную, с очень малым коэффициентом преломления, вследствие чего его трудно видеть: нужно приноравливаться, чтобы заметить, наполнен ли сосуд жидким гелием или нет. Когда на жидкий гелий смотрят, на него падает свет и он непременно будет кипеть. То количество света, которое проходит через прозрачный дьюаровский сосуд и падает на него, сообщает ему достаточное тепло, чтобы привести его в состояние кипения. Но при дальнейшем понижении температуры все эти явления внешне пропадают. Поверхность гелия становится гладкой, как зеркало. Его еще труднее заметить, потому что по пузырькам вы его видите лучше. Это явление заметил еще Камерлинг-Оннес, но стал его изучать Кеезом лет десять тому назад. Его поразило, что пропадает кипение, и он стал изучать тепловые свойства гелия.

Кеезом, в частности, решил выяснить, какова в гелии теплопроводность. Он взял капилляр, в одном месте его поставил термометр, в другом нагреватель и смотрел, как тепло распространяется в капилляре. Капилляр был очень тоненький. Техника эксперимента очень трудна, потому что приходится работать с вакуумными сосудами, причем один из них погружен в другой, так как малейший доступ тепла уже способен вызвать кипение и нарушить все тепловые явления. О трудностях экспериментальной техники я не имею возможности рассказать. Так вот, обнаружилась потрясающая вещь: оказалось, что жидкий гелий обладает чрезвычайной теплопроводностью. Теплопроводность меди и серебра мала по сравнению с теплопроводностью, которая наблюдалась там. Это было очень удивительно.

Распространение тепловых волн оказалось исключительно быстрым как раз там, где, казалось, меньше всего можно было бы ждать теплового движения. Кеезом нашел, что жидкий гелий сверхтеплопроводен.

Мы заинтересовались этим явлением. Нам показалось, что, может быть, это ошибка. Но я повторил опыты Кеезома и получил еще большие значения теплопроводности, чем сам Кеезом. Можно было показать, что такое количество тепла, которое фактически переносилось, лежит за пределами физических возможностей, что тело ни по каким физическим законам не может переносить больше тепла, чем его тепловая энергия, помноженная на скорость звука. А скорость звука в гелии известна - она равна 250 м/с. С помощью обычного механизма теплопроводности тепло не могло переноситься в таком масштабе, как это наблюдалось. Надо было искать другое объяснение. И вместо того, чтобы объяснить перенос тепла теплопроводностью, т.е. передачей энергии от одного атома к другому, можно было объяснить его более тривиально - конвекцией, переносом тепла в самой материи. Не происходит ли дело так, что нагретый гелий движется вверх, а холодный опускается вниз, благодаря разности скоростей возникают конвекционные токи, и таким образом происходит перенос тепла. Но для этого надо было предположить, что гелий при своем движении течет без всякого сопротивления. У нас уже был случай, когда электричество двигалось без всякого сопротивления по проводнику. И я решил, что гелий так же движется без всякого сопротивления, что он является не сверхтеплопроводным веществом, а сверхтекучим.

Были сделаны эксперименты измерения вязкости - величины, обратной текучести. Чтобы гелий был сверхтекучим, необходимо, чтобы его вязкость была мала. Для того чтобы измерить такую малую вязкость, нужно было придумать исключительно тщательную технику эксперимента. Оказалось, что нужно пропускать гелий не в капилляре, а через щель, ширина которой равна долям микрона. Если бы гелий легко протекал через такую щель, он был бы сверхтекучим. Оказалось, что через эти тонкие щели гелий протекает так же легко, как и через большие отверстия. Есть формула Бернулли, в которую не входит вязкость, применимая к идеальной жидкости. Гелий оказался такой идеальной жидкостью. Можно было обнаружить только предел вязкости 10-11 П. Если вязкость воды равняется 10-2 П, то это в миллиард раз более текучая жидкость, чем вода. И при этом наши измерения были лишь техническим пределом, за которым гелий мог быть еще менее вязким.

Казалось бы, установив сверхтекучесть гелия, можно было таким образом объяснить все явления конвекции. Но на самом деле оказалось, что на этом только начинаются, а не кончаются все интересные свойства гелия. Выяснилось, что то объяснение, которое мною было дано, из которого я исходил, было неправильным.

В действительности вязкость гелия мала, но этого все-таки недостаточно, чтобы объяснить его высокую теплопроводность конвекционным механизмом. Те силы, которые приводят в действие конвекционные потоки, - силы тяжести недостаточны, чтобы объяснить эту теплопроводность. В горизонтальном капилляре теплопроводность наблюдается в такой же степени, как и в вертикальном. Я сделал капилляр, который вращался, - явление оказалось одинаковым во всех положениях капилляра. Надо было искать что-то другое. И тут ключ к объяснению дальнейшего дало открытие, сделанное английскими физиками в Мондовской лаборатории, директором которой я был прежде, - Алленом и Джонсом. Они нашли другое явление в гелии, тоже очень интересное. Они нашли, что если бульбочку наполнить наждаком, опустить в гелий и осветить светом, то гелий начинает фонтанировать. Появляется фонтан до 20 см высотой. То есть под влиянием света и тепла в гелии возникают какие-то силы, которые заставляют его очень энергично течь.

Мы стали изучать эти силы. Была взята маленькая колбочка с нагревателем; она была помещена в гелий и обнаружилось, что при нагревании гелия в колбочке поток жидкости вырывался наружу, в окружающий гелий. Если перед выходом колбочки подвесить маленькую заслонку, то ее отбрасывает в сторону, т.е. жидкость на нее оказывает давление. Из сосудика вырывается сильный поток. Но спрашивается: если из него течет поток и если он не становится при этом пустым, то каким образом он снова наполняется гелием? Тогда нужно было сделать следующий опыт: посмотреть, равно ли действие противодействию. Было испытано действие струи на колбочку и оказалось, что действие равно противодействию. Можно было думать, что как-то со стороны вливается гелий. Этого не оказалось. Таким образом, мы имели интересное явление: струя вырывается, но количество гелия не изменяется. Объяснение этому явлению я дам несколько позже, а прежде расскажу о нескольких других опытах. Если мы имеем вырывающуюся струю, то мы можем эту струю перевести в работу, в энергию. Мы сделали приборчик наподобие сегнерова колеса6 с несколькими ножками, исходящими из общего объема, и затем нагревали внутреннюю часть этого сосудика пучком света. Такой "паучок" пришел в движение. Таким образом тепло переводилось в движение.

Но если тепло можно перевести в движение, то, казалось бы, и наоборот, движение в гелии можно перевести в тепло. Для того, чтобы посмотреть, насколько обратимо это явление, было сделано два сообщающихся сосуда, причем в одном гелий был выше, чем в другом, - мы дали ему перетекать. Оказывается, при этом установилась разность температур.

Таким образом, мы установили, что если гелий течет внутри капилляра, то от более нагретого к более холодному телу образуется поток, а при заданных уровнях в одном месте температура будет повышаться (там, куда втекает гелий) и в другом - откуда он вытекает - понижаться.

Насколько совершенно переходило тепло в работу? Это был следующий вопрос, который мы должны были выяснить. Оказалось, что преобразование тепла в работу происходит с коэффициентом полезного действия, равным единице, энтропия оставалась постоянной, т.е. явление было термодинамически обратимым.

Следовательно, мы приходим к интересному методу получения низких температур: мы можем перекачивать гелий через очень тонкий капилляр и получать понижение температуры. Теоретически, как я дальше скажу, мы можем получать температуру сколько угодно низкую, близкую к абсолютному нулю (без возможности когда бы то ни было достигнуть его). Технические трудности здесь большие, может быть, они значительно уменьшат наши возможности. Но это феноменологическая сторона явления.

Как же теоретически объяснить, что гелий может вытекать из сосуда, не втекая в него, образуя такую бездонную бочку? Как теоретически можно себе представить, что при разности температур тепло обратимо переходит в движение? Первую идею в этом направлении дал французский физик Тисса. Его идея была высказана в небольшой статье. Разработал до деталей теорию Ландау. Идея заключается в следующем.

Гелий в сверхтекучем состоянии состоит из двух частей, представляя собой как бы раствор одной жидкости в другой. Одна составляющая гелия - это гелий, находящийся при температуре абсолютного нуля, т.е. во вполне упорядоченном состоянии. А другая его часть - это гелий, каким он обычно бывает, когда конденсируется. С понижением температуры меняется пропорция одного гелия по отношению к другому. Таким образом, мы имеем как бы два гелия. Одна жидкость находится энергетически на самом низком уровне, другая жидкость - в другом, нормальном энергетическом состоянии. Только два эти состояния и могут быть в гелии при этих температурах. Беспорядочность состояния гелия определяется тем, что существует постоянное перемешивание этих двух компонент. Если в одном месте увеличивается концентрация компоненты обычного гелия, а в другом будет больше сверхтекучей компоненты, то у вас моментально возникнет стремление выровнять эти компоненты, т.е. возникают какие-то термодинамические силы, которые стремятся их выровнять. Гелия в промежуточном состоянии между этими двумя в природе не существует: либо он при абсолютном нуле, либо он в другом состоянии, нормальном. Гелий в сверхтекучем состоянии не может давить на заслонку, и вообще сверхтекучая жидкость не может производить никакого давления, так как это жидкость, вязкость которой равняется нулю, - мы ее динамическими методами обнаружить не можем. Поэтому ее втекание в колбочку остается нами незамеченным: нет таких физических методов, посредством которых мы могли бы обнаружить его втекание. А вытекающая часть - нормальный гелий. При нагревании сверхтекучая часть гелия переходит в нормальную, и внутри колбочки появляется избыточный нормальный гелий, он-то и вырывается наружу и давит на заслонку.

Такое представление дается теорией, оно математически развито в гидродинамике двух жидкостей, которые находятся в двух квантовых состояниях и могут течь навстречу друг другу, причем одна обладает нулевой энтропией и не может быть обнаружена механическим взаимодействием, а другая - это нормальная жидкость. Представление, конечно, необычное, но наблюдавшиеся явления полностью им объяснялись. Так же получалась термодинамическая обратимость этих явлений. Из нее вытекало как следствие, что, когда мы пропускаем гелий через очень тонкий канал, через него проскальзывает только сверхтекучая компонента по другую сторону щели образуется недостаток компоненты с нормальной вязкостью - появляется разность температур. Так как создать разность температур мы не можем, не создавая работы, необходимо, чтобы получилась разность давлений. Все это хорошо совпадало с теоретическими расчетами.

Но Ландау сделал еще одно заключение. Он обратил внимание на то, что, если существует смесь двух жидкостей, могут быть и две звуковые скорости. Одна звуковая скорость в нормальном гелии была известна - 250 м/с. Но должна появиться еще и другая скорость. И Ландау предсказал ее и даже вычислил, что она должна равняться 25 м/с. Мы начали искать эту вторую скорость как раз перед войной. Первую скорость нашли, а второй звуковой скорости найти не могли. И я всегда говорил Ландау: "Где же ваша вторая звуковая скорость?" Когда теоретиков раззадоришь, они начинают изучать явление более подробно. И действительно, вскоре Ландау сказал даже, как ее надо искать. Она возбуждается не нормальным путем, не движением диафрагмы перпендикулярно, а скорее - движением вдоль, а еще лучше - тепловыми флуктуациями. Скорость звука второго порядка не так легко наблюдать, но воспитанник Московского университета Пешков придумал метод для ее наблюдения. Недавно, месяц назад, вторая скорость звука была им обнаружена в нашей лаборатории, она оказалась равной 19.6 м/с, т.е. весьма близкой к предсказанной.

Мы имеем здесь интересный пример того, как на основании теории было предсказано совершенно новое явление, неизвестное ни в одной другой жидкости, и доказано его существование. Это мне напоминает случай, когда Леверье предсказал существование планеты Нептун по возмущениям орбиты Урана, и Араго вскоре обнаружил неизвестную планету. Но планета уже существовала, нужно было только убедиться в ее присутствии. А второго звука не существовало, и в поисках его было меньше уверенности.

Вот примерно тот обзор явлений в жидком гелии, с которым я хотел вас сегодня ознакомить. Здесь было, конечно, много неясного и интересного, и немало еще осталось. При протекании гелия с некоторой скоростью он переходит в нормальное состояние, т.е. теряет свою сверхтекучесть. Это для нас - совершенно непонятное явление. Оно, по-видимому, как-то связано с аналогичным явлением в сверхпроводниках, когда при известном магнитном поле сверхпроводимость пропадает. Какая-то аналогия существует между этим явлением и поступательным движением жидкого гелия; можно даже вычислить критические скорости, при которых теряется его сверхтекучесть. Они получаются другого порядка, чем те, которые наблюдаются экспериментально. Работы в этом направлении были прерваны войной, и только недавно они были возобновлены. Перед войной было начато также получение сверхнизких температур путем принуждения гелия протекать через тонкие каналы. И эти опыты были прерваны войной. Но мы надеемся, что скоро полностью вернемся к тому счастливому состоянию, которое было нарушено нашествием варваров, и сможем отдать все силы изучению новых загадок природы, которые помогут нам в значительной мере разобраться в интереснейших явлениях, происходящих вблизи абсолютного нуля. “

Предлогаю статью А. Ф. Андреева посвещёную той-же теме.

Некоторые современные взгляды и новости:

Фонтанный эффект. Свойства течения сверхтекучей компоненты необычны, потому что такое течение может быть вызвано не только разностью давлений, но и разностью температур (обычная жидкость течет только вследствие разности давлений). Если погрузить в жидкий гелий электронагреватель, то сверхтекучая компонента потечет к нагреваемой области, а нормальная – к холодной в соответствии с законом сохранения масс. На этом основан впечатляющий эффект, называемый фонтанным. Конец тонкой трубки, набитой очень мелким порошком, опускают в жидкий гелий. Если с помощью электронагревателя нагревать жидкость в трубке, то сверхтекучая компонента потечет внутри трубки, а нормальная вязкая жидкость не сможет течь из-за сопротивления, создаваемого порошком. В результате уровень жидкости внутри трубки повышается и, если продолжать нагрев, жидкость будет бить фонтаном из верхнего конца трубки. Эффект весьма значителен: разность температур в несколько сотых кельвина может создать фонтан до метра высотой.

Квантовые эффекты. Необычные свойства сверхтекучей компоненты объясняются тем, что большая часть атомов гелия движется когерентной группой, а не независимо, как атомы любого другого вещества. Наибольшее впечатление эти квантовые эффекты производят, если привести во вращение контейнер с жидким гелием. Вместо того чтобы вращаться вместе с контейнером, как обычная жидкость, сверхтекучая жидкость превращается в сплетение мелких водоворотов, которые называются квантованными вихрями. Картина течения в каждом таком вихре подобна картине течения в смерче, но в гелии скорость потока определяется постоянной Планка, фундаментальной константой квантовой механики. Существование этих квантованных вихрей во вращающемся гелии было предсказано в 1950 Л.Онсагером и Р.Фейнманом и подтверждено множеством экспериментов. В 1974 были получены первые фотографии квантованных вихрей. Это оказалось возможным благодаря захвату электронов ядром вихря (подобно тому как камни и обломки втягиваются в центр смерча). Захваченные электроны, создающие изображение на люминофорном экране, отмечают положение каждого вихря и наглядно свидетельствуют о макроскопической квантовой природе сверхтекучей жидкости.

Фазовые переходы в сверхтекучей жидкости. Уменьшение плотности сверхтекучей жидкости до нуля при температуре 2,17 К и острый пик теплоемкости в этой же точке указывают на то, что при переходе сверхтекучей жидкости в нормальную происходит термодинамический фазовый переход. В своих ранних статьях Онсагер и Фейнман высказывали мнение, что механизм квантованных вихрей может лежать в основе этого фазового перехода, но ни тот, ни другой не проводил расчетов, чтобы подтвердить свою догадку. Только в 1987 математическая теория фазового перехода показала, что их мысль была верна. В этой теории увеличение тепловой энергии жидкости приводит к образованию вихревых витков, подобных кольцам дыма, которые пускают курильщики. При температуре значительно ниже 2,17 К возбуждаются только очень малые вихри, диаметром в несколько ангстрем. Эти вихри, соответствующие нормальной компоненте двухжидкостной модели Ландау, оказывают сопротивление сверхтекучей жидкости, но, будучи очень малыми, они лишь частично уменьшают ее плотность. При повышении температуры образуются вихри все больших и больших размеров. При 2,17 К вихри приобретают размеры, ограниченные только размерами сосуда; это приводит к тому, что плотность сверхтекучей жидкости обращается в нуль и гелий становится нормальной жидкостью.

Последствия сверхтекучести; Жидкость, обладающая сверхтекучестью - не просто жидкость, которая ведет себяпредпочтительно по законам квантовой, а не классической физики. Это специфическая субстанция - так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна, в котором атомы движутся?в связке|. Они еще не заперты в узлах кристаллической решетки, как у твердого тела, но уже не имеют вольности перемещений, свойственной атомам классической жидкости. Сверхтекучесть достигается при охлаждении до сверхнизких температур. Однако, почти все жидкости переходят в твердое состояние, не достигая фазы сверхтекучести. А вот жидкий гелий, кроме сверхтекучести, демонстрирует и другие необычные качества такой субстанции.Еще в 1963 году физиком Кембриджского Университета Брайаном Джозефсоном (Brian Josephson) было предсказано явление собственных колебаний сверхтекучей жидкости в канале, соединяющем две содержащие ее емкости. Обнаружить это явление удалось только в 1997 году. Группа физиков Калифорнийского Университета - Richard Packard and Seamus Davis (University of California, Berkeley) - с помощью оригинальных изобретений сумела подтвердить новое открытие.Выходным устройством при контроле собственных колебаний сверхтекучего гелия послужил набор наушников. По словам физиков, они услышали что-то похожее на свист падающей бомбы. По расчетам теоретика (Джозефсона) сверхтекучая жидкость? должна дрожать| при небольшом различии давлений в емкостях и достаточно малом сечении соединительного канала. Для изотопа гелия-4 расчетный диаметр такого сечения - 0.1 нанометра (что технически нереально), для гелия-3 - в 500 раз больше (что близко к реальности). Для усиления уровня выходного сигнала исследователи выполнили 4225 одинаковых отверстий в кремниевой пластине. Разность давлений создали, подавая импульс напряжения на гибкую мембрану камеры с жидкостью. Сигнал сверхчувствительного датчика выводился на осциллоскоп. Изменение частоты при этом явлении происходит очень медленно. Поэтому, на экране осциллоскопа не заметно каких-либо особенностей вроде всплесков регистрируемой частоты. И прежние многолетние попытки регистрации собственных колебаний?сверхтекучки| посредством стандартного способа контроля не дали результатов. И только, когда Packard не только подкинул идею с наушниками, но и принес их в лабораторию, потратив собственные $50, медленное понижение частоты колебаний стало явным. Ведь, человеческое ухо способно воспринимать медленное изменение частоты звукового сигнала.Но, Пакард есть Пакард. Теперь его команда реализует применение открытого эффекта в гироскопии. У них уже есть гироскоп на гелии-4, контролирующий изменения скорости врашения Земли с точностью 0.5%. На гелии-3 с открытым ими?эффектом свистка| исследователи надеются достичь большего. Такие гироскопы используют тенденцию сверхтекучей жидкости к сохранению покоя. А более конкретно, к сохранению нулевого момента количества движения. Если раскручивать часть жидкости в одном направлении, другая ее часть будет вращаться в противоположном. При определенной скорости жидкость сбрасывает избыток энергии за счет возникновения завихрений, которые регистрируются датчиком гироскопической системы.В гироскопе Пакарда, использующем гелий-4, перемещение сверхтекучей жидкости, вызванное вращением, порождает компенсационный противоток через мелкое отверстие. Медленное вращение гироскопа, помещенного в криостат, складывается с вращением Земли. Момент времени, в который появляется вихрь, изменяется из-за влияния вращения Земли, которое и должен?чувствовать| гироскоп. Пакард задумал и гироскоп, основанный не на принципе контроля изменения момента появления завихрений, а на эффекте квантовой интерференции - то есть на?эффекте свистка|. Однако, для этого нужен гелий-3, который требует значительно большего охлаждения, чем гелий-4, что пока технически малореально.Для чего нужны суперточные гироскопы? Авиация и подводный флот применяют кольцевые лазерные гироскопы, в которых вращающийся луч используется для контроля изменений в положении и ориентации. Они и так обладают достаточной точностью. Группа Пакарда предполагает проверить с помощью сверхочных гироскопов одно из положений общей теории относительности Эйнштейна. При такой проверке любую достигнутую точность нельзя признать сверхдостаточной.В соотвествии с ОТО в абсолютно инерциальной системе координат тело, находящееся в состоянии покоя, должно сохранять его. Гироскоп, установленный на Земле, может выявить степень ее вращения относительно такой системы координат.?Та же ли это система, в которой хранят свой покой далекие звезды? Вот в чем вопрос", - амечает Packard. "Общая теория относительности отвечает на него отрицательно.|ОТО Эйнштейна учитывает влияние гравитации и утверждает, что вращающаяся Земля вызывает изменения в инерциальной системе координат, расположенного вблизи нее тела. Для проверки этого положения, перемещая вблизи Земли сверхчувствительный гироскоп, по его показаниям можно определять абсолютно инерциальную систему координат. Соединяя гироскоп с телескопом, наведенным на отдаленную звезду, нужно выяснить: перемещается ли эта звезда относительно инерциальной системы координат, как это выявляет гироскоп, установленный на Земле.Для таких измерений требуется невероятная точность. Но, Пакард есть Пакард. Он умеет использовать фокусы, которые выкидывает этот сюрреалистический гелий Источник информации:

Сверхтекучесть в квантовых ямах Теория предсказывает образование сверхтекучего состояния в системе двух соседних квантовых ям, одна из которых заполнена электронами, а другая - дырками. Спаривание электронов и дырок происходит вследствие сильного кулоновского взаимодействия. Но как наблюдать этот эффект, даже если он есть? Прямое наблюдение затруднительно. Американский физик B.Y.-K. Hu придумал, как в этом убедиться косвенным образом. Предлагается измерять эффект увлечения. Для этого прикладывают напряжение к одной квантовой яме, а ток измеряют в другой. В некогерентном режиме увлечения, когда носители в соседних ямах хаотически рассеиваются друг на друге, ток увлечения невелик по сравнению с основным током. Автор показывает, что в сверхтекучем состоянии эти токи сравниваются.

Свехтекучестьи сверхпроводимость Поскольку момент импульса электрона на витках винтовой траектории не может меняться - он или есть, или его нет, то при сверхнизких температурах (или в условиях лишения электрона его момента импульса) мы должны наблюдать скачкообразное изменение свойств веществ так или иначе связанных с наличием свободных электронов. При нормальных температурах таких эффектов можно достичь, лишая электроны возможности двигаться по винтовой линии, например, в сверхтонких проводниках, радиус которых значительно меньше длины волны де Бройля электрона при данной температуре. Примером такой сверхпроводящей рамки с током служит молекула бензола.Сверхтекучесть и сверхпроводимость с точки зрения новой физики имеют одну и туже причину - утрату частицами момента количества движения по виткам винтовой траектории. В первом случае - это потеря момента атомами гелия, а во втором - электронами (= 0). Вся проблема в том, кому передать этот момент.Атомы гелия передают его атомам стенок сосуда в котором находится жидкий гелий, поэтому наблюдается фазовый переход второго рода и в жидком гелии находятся как бы две жидкости у которых движение атомов принципиально различно. В гелии I они движутся по отрезкам винтовых линий, а в гелии II - по прямой. Таким образом, не противореча наиболее адекватной опытам двухжидкостной модели сверхтекучести современной физики, новая физика делает те же выводы не привлекая официальную квантовую механику. Переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние не сопровождается тепловым эффектом (фазовый переход второго рода или l-переход), т.к. при потере атомом гелия момента импульса на винтовой траектории данный атом становится "холодным", но его энергия передается соседним атомам и в целом теплового эффекта не наблюдается из-за закона сохранения энергии. Однако, поскольку гелий в состоянии сверхтекучести представляет собой смесь "холодной" (с отсутствием у атомов момента импульса) и "горячей" (с сохранившимся у атомов моментом импульса) жидкости, то наблюдается механокалорический эффект. При вытекании HeII из сосуда через узкий капилляр в сосуде повышается температура и, наоборот, в месте втекания HeII из капилляра в другой сосуд происходит охлаждение. При переходе гелия в сверхтекучее состояние, его теплопроводность увеличивается, примерно, в 106 раз и механизм теплопроводности отличается от обычного по многим признакам. Этот эффект также очевиден: атомы лишенные момента импульса подобны электронам сверхпроводимости. Изложенная причина сверхтекучести гелия дает возможность влиять на этот эффект добавками в жидкий гелий молекул, которые в целом или их части не прочь заполучить момент количества движения атомов гелия. Очевидно, что получить эффект сверхтекучести при нормальных температурах невозможно, т.к. потенциальные приемники момента импульса не столько отбирают его у атомов, сколько награждают им. По-видимому, только пропусканием атомов сквозь каналы, поперечник которых заведомо меньше диаметра винтовой траектории можно добиться каких-то успехов. То же касается и сверхпроводимости в случае движения заряженных частиц. В этой связи есть смысл выдвинуть гипотезу, согласно которой в биологических объектах за долговременную память ответственны замкнутые электрические токи сверхпроводимости, реализуемые при нормальных температурах в молекулярных каналах. Для 3He связь между атомами сильнее, чем связь между атомами 4He за счет нескомпенсированного магнитного момента атомов, поэтому потеря момента импульса атомами 3He затруднена, т.к. им приходится взаимодействовать сразу со многими соседями с большой эффективной массой (по измерениям теплоемкости mэф=3,1m). Поэтому температура перехода 3He в сверхтекучее состояние ниже (0,010К), чем у 4He (2,10К). Для объяснения сверхтекучести 3He официальная физика прибегает к образованию куперовских пар уже из атомов 3He, считая их фермионами. Очевидно, что при образовании куперовских пар система в целом переходит в более выгодное энергетическое состояние и этот процесс должен сопровождаться выделением тепла, т.е. должен наблюдаться фазовый переход первого рода, что не соответствует экспериментальным данным. Электроны передают свой момент дефектам кристаллической решетки или атомам “примеси”, а также атомам основной кристаллической решетки, если больше нет ничего подходящего. Поэтому температура перехода в сверхпроводящее состояние монокристаллов чистых элементов очень мала.[1] С точки зрения ортодоксальной физики переквалификация электронов из индивидуалистов-фермионов (= 1/2) в колхозников-бозонов (= 0) совершенно невозможна в то время, как новая физика считает, что неразличимые по моменту импульса электроны (у всех = 1) стали различимы (часть имеют =1, а часть = 0), т.е. состояние “электронного газа” при сверхпроводимости подобно двухжидкостной модели сверхтекучести.

Список использованных ресурсов:

Дата добавления: 2015-10-28